CN107743432A - 用于制造压电的层堆叠的方法以及压电的层堆叠 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于制造压电的层堆叠（10）的方法，在所述方法中提供具有多个压电的陶瓷层（12）并具有多个能导电的内电极（14）的层堆叠（10），所述陶瓷层和内电极沿着纵轴（L）交替，其中陶瓷层（12）在自身表面（16）上具有第一区域（18）和第二区域（22），所述第一区域具有多晶组织结构(20)，所述第二区域具有仅仅以机械的方式附着在所述多晶组织结构（20）上的松脱的陶瓷材料（24），其中所述松脱的陶瓷材料（24）被从多晶组织结构（20）去除，而不损坏多晶组织结构（20）。本发明另外涉及层堆叠（10），所述层堆叠尤其是利用这样的方法所制造的。

Description

用于制造压电的层堆叠的方法以及压电的层堆叠

技术领域

本发明涉及一种用于制造压电的层堆叠的方法以及一种尤其是利用这样的方法所制造的压电的层堆叠。

背景技术

压电的层堆叠作为电子器件例如被使用在用于将燃料喷射到内燃机的汽缸的燃烧室内的执行器单元中。

例如作为执行器单元所使用的层堆叠典型地具有多个压电的陶瓷层和多个能导电的内电极，其中在两个压电的陶瓷层之间分别布置所述内电极的其中之一。特别常见地，作为电子器件所构造的层堆叠以压电执行器的形式被使用，以便作为在用于机动车的最不同的发动机类型的喷射阀中的操纵元件来得以应用。

随着对于排放和消耗的增大的要求，对于将燃料喷射到燃烧室内的要求也增高。更高的压力、温度以及多次喷射因此要求在计量所喷射的燃料的情况下的更高精确度。在此，趋势是更高电场强度和更高的运行时要求。在此，增高在层堆叠的表面上的电闪络（elektrischen Überschlägen）的危险。

在层堆叠的表面上的电闪络的危险在此提高，其方式为：例如通过层堆叠的磨损过程而典型地使最上方的颗粒层以机械的方式受到损坏，然而其中松脱（los）的颗粒材料并不从经烧结的陶瓷复合物分离。由此形成松脱的颗粒层，所述颗粒层仅以机械的方式与陶瓷的晶体（Kristallkörper ）连接。所述松脱的颗粒层在机械和热机械的负载的情况下构成用于陶瓷的降解现象的基础以及在其他情况下的高欧姆的陶瓷材料中的能传导的路径。因为通过松脱的颗粒层使微观裂缝在层堆叠的表面上产生，湿气和/或金属离子可以迁移到所述微观裂缝中并且因此可以在两个相邻的内电极之间构成导电路径。

图14和图15示意性地示出相关的问题。

在图14中示出层堆叠10，所述层堆叠具有多个压电的陶瓷层12和多个能导电的内电极14，其中沿着层堆叠10的纵轴L在两个陶瓷层12之间分别布置一个电极14。图14以放大的视图另外示出陶瓷层12其中之一的表面16的一个区域。在所述放大的视图中看出：在表面16上，陶瓷层12具有第一区域18，陶瓷层12的材料在所述第一区域中作为多晶组织结构20、也即作为封闭晶存在。此外，在陶瓷层12的表面16上存在第二区域22，压电的陶瓷材料24在所述第二区域中存在，所述陶瓷材料不再是多晶组织结构20的组成部分，而是仅仅以机械的方式附着在所述多晶组织结构20上。所述陶瓷材料24因此构成关于所述多晶组织结构20来说的松脱的颗粒复合物26。

图15示出从陶瓷层12的表面16脱去的颗粒复合物26的REM影像。

这样的松脱的颗粒复合物26虽然不再是多晶组织结构20的部分，却还以机械的方式相对强地附着在所述多晶组织结构20上。

图16对此在图 a）中示出表面16的显微镜影像，其中所述松脱的颗粒复合物26通过淡色区域来表示。在图b）中示出在层堆叠10为了去除脏污和颗粒而在溶剂浴中已经超声波处理之后的表面16。因为电场强度在过去曾经不是这样高，用于清洁层堆叠10的预先处理的所述方式曾是足够的。然而，在图像b）中看出：在表面16上也另外存在以大量数目的松脱的颗粒复合物26。颗粒复合物26的机械式附着因此是这样强力的，使得一般清洁方法、诸如超声波不能将所述松脱的颗粒复合物26从层堆叠10分离。

如在图14中看出的，在最不利的情况下，在多晶组织结构20和颗粒复合物26之间产生路径28，如果例如湿气在表面16的所述区域内渗入，则所述路径可以构成能导电的路径28。

如果以非常高的电场强度来加载层堆叠10，则这是尤其不利的，因为由此可能发生在层堆叠10中的电闪络。

发明内容

本发明的任务因此是：建议一种用于制造压电的层堆叠的方法以及一种相应的层堆叠，通过所述方法可以克服前面提到的问题。

所述任务利用根据权利要求1所述的一种用于制造压电的层堆叠的方法得以解决。

尤其是利用这样的方法所制造的压电的层堆叠，是并列权利要求的主题。

本发明有利的扩展方案是从属权利要求的主题。

在一种用于制造压电的层堆叠的方法情况下执行以下步骤：在步骤S1）中，提供层堆叠，所述层堆叠具有多个压电的陶瓷层和多个能导电的内电极，其中沿着层堆叠的纵轴，在两个陶瓷层之间分别布置一个内电极。压电的陶瓷层在自身的表面上具有第一区域，多晶组织结构在所述第一区域内存在。此外，所述压电的陶瓷层具有第二区域，在第二区域中存在仅仅以机械的方式附着在所述多晶组织结构上的压电的陶瓷材料。在步骤S2）中，在不损坏所述多晶组织结构的情况下去除所述仅仅以机械方式附着在多晶组织结构上的压电的陶瓷材料。

所述压电的陶瓷层除了自身的表面以外也在体积方面（im Volumen）由多晶组织结构构成。

“表面”在此应该被理解为如下区域：所述区域延伸入所述层堆叠的陶瓷层的体积中约15μm-20μm。

通过这样的制造方法，层堆叠的表面脱离于（befreien）所述松脱的颗粒复合物，却不引起对多晶组织结构的机械损坏，所述损坏在其方面又可能导致构成新的松脱的颗粒复合物。由此，在运行中不再存在或形成松脱的晶界，所述晶界作为低欧姆路径可能引起作为配件的层堆叠的故障。

优选地，在所描述的方法情况下，执行以下步骤：

S2a）提供通过加载压力所液化的气体；

S2b）使气体膨胀（entspannen），使得微晶形成；

S2c）将微晶对准和加速成定向的流（Strömung）；

S2d）用所述定向的流来加载层堆叠的表面。

在步骤S2c）中的加速在此优选经由将压缩空气输送给正形成或已形成的微晶来进行。

在用由微晶组成的流来加载层堆叠的表面时，机械能量有利地作用到以机械方式附着的压电的陶瓷材料、也即颗粒复合物上，所述机械能量足以将所述仅以机械方式附着的陶瓷材料从多晶组织结构去除。对微晶（所述微晶已经由膨胀的、之前通过加载压力所液化的气体所构成）的应用具有如下优点：微晶在表面与层堆叠接触之后再次转化成气态的状态并且因此没有在层堆叠的表面上留下任何像是例如在以沙粒子、玻璃粒子等来加载表面的情况下那样的残留物。

因此有利的是，使用在标准条件（也即室温，尤其是20℃和p=1013 mbar的压力）情况下为气态的气体。

因此作为经液化的气体例如可以有利地使用CO₂、N₂和/或惰性气体。

优选地，层堆叠的表面以与所述流的来源的1cm-10cm、优选2cm-8cm、优选3cm-6cm、尤其是4cm的间隔经所述流来移动。所述范围在试验中被证实为特别有利的，因为在过小的间隔情况下在所述流中的微晶还没有被足够地加速，以使得所述以机械方式附着的压电的陶瓷材料可以完全从层堆叠的表面被去除。相反，过大的间隔则引起以过强程度展开（auffächern）的流。优选地所述流在其击中层堆叠的表面处那里具有与层堆叠的宽度相应的宽度。

对此同样有利的是，使所述流具有2bar-25bar、尤其是5bar-20bar、更尤其是10bar-16bar的压力。

优选的加载时间在2秒至15秒之间的范围内变动，以便可以将所述以机械方式附着的压电的陶瓷材料完全从层堆叠的表面去除。

“完全”在此意味着：陶瓷层的表面的80%以上没有仅仅以机械方式附着在多晶组织结构上的陶瓷材料。这就是说：在小于陶瓷层的表面的20%处存在仅仅以机械方式附着的压电的陶瓷材料。

优选地，在去除仅仅以机械方式附着在多晶组织结构上的压电的陶瓷材料之后，层堆叠的表面在步骤S3）中被去离子化。这尤其是通过以离子化的空气进行的喷吹来进行。然而，可替代地或附加地，也可以在溶剂浴中用超声波来加载所述层堆叠。所述去离子化具有如下好处：在此层堆叠的表面变得没有载荷并且因此变得均质。

有利地，层堆叠的表面在去离子化之后在步骤S4)中被钝化。对此，例如涂覆钝化漆料。对层堆叠的表面的所述钝化具有如下好处：可以避免层堆叠在运行中的电闪络。

尤其是利用如上所描述的方法所制造的压电的层堆叠具有多个由压电的陶瓷材料所构成的陶瓷层并且具有多个能导电的内电极。沿着层堆叠的纵轴，在两个陶瓷层之间分别布置一个内电极。压电的陶瓷层在其表面上具有：第一区域，多晶组织结构在所述第一区域内存在；和第二区域，在所述第二区域中存在仅仅以机械的方式附着在所述多晶组织结构上的压电的陶瓷材料。在小于陶瓷层的表面的20%处存在仅仅以机械方式附着的压电的陶瓷材料。

这样的压电的层堆叠具有如下好处：在以非常高的场强来加载所述层堆叠情况下，也仅以小程度估计有通过不期望的能传导的路径所引起的电闪络，所述路径在多晶组织结构和松脱的颗粒复合物之间、在多晶组织结构的表面上形成。因为所述松脱的颗粒复合物很大程度上并不再在压电的层堆叠中存在。

有利地，压电的陶瓷层具有0.5μm-3μm、尤其是1μm-2μm的平均粗糙度。在所述范围内的所述粗糙度具有如下好处：接下来待施加到层堆叠的表面上的材料层能特别良好地附着在层堆叠上。

优选地，在所述陶瓷层的表面上布置钝化层、尤其是钝化漆料。

附图说明

接下来，参照所附附图对本发明的有利的扩展方案进一步予以阐述。其中：

图1示出流程图，所述流程图示意性地示出在用于制造压电的层堆叠的方法情况下所执行的步骤；

图2 示出在以定向的流来加载之后用于对层堆叠去离子化的第一可能性；

图3示出在以定向的流来加载之后用于对层堆叠去离子化的第二可能性；

图4示出根据图6或图7所去离子化的层堆叠，所述层堆叠在其表面处具有钝化层；

图5 示出流程图，所述流程图示意性地示出在根据图1的方法中所执行的分步骤；

图6 示出通过加载压力所液化的、如在根据图1的方法中所使用的气体；

图7 示出来自图6的以压力所加载的、液化的气体，所述气体通过打开气体容器来膨胀并且通过对准设备来对准成定向的流；

图8 示出压电的层堆叠，用根据图7所构成的流来加载所述压电的层堆叠；

图9 示出通过层堆叠的纵截面的显微镜影像，在所述层堆叠情况下没有执行根据图1所述的方法；

图10 示出根据图9的层堆叠的REM影像；

图11 示出通过层堆叠的纵截面的显微镜影像，在所述层堆叠情况下执行了根据图1所述的方法；

图12 示出根据图11的层堆叠的REM影像；

图13 示出层堆叠的显微镜影像的对比，所述层堆叠是a）未处理的、b）利用超声波浴所预先清洁的、c）利用根据图1所描述的方法已清洁的；

图14示出根据现有技术的层堆叠；

图15 示出松脱的、从来自图14的层堆叠所剥落的颗粒层的REM影像；和

图16 示出a）未处理的、b）利用超声波浴所预先清洁的层堆叠的显微镜影像的对比。

具体实施方式

图1示出流程图，所述流程图示意性地示出用于制造压电的层堆叠10的方法步骤。

在此，在步骤S1）中提供层堆叠10，所述层堆叠由多个压电的陶瓷层12和多个能导电的内电极14构建，所述陶瓷层和内电极在层堆叠10的纵轴L的方向上交替。陶瓷层12在自身的表面16上具有：第一区域18，陶瓷材料24作为多晶组织结构20在所述第一区域内存在；以及第二区域22，在所述第二区域中陶瓷材料24仅仅以机械的方式附着在所述多晶组织结构20上，却不构成多晶组织结构20的部分。

在步骤S2）中，所述仅仅以机械方式附着的陶瓷材料24于是被从多晶组织结构20去除并且甚至这样被去除，使得多晶组织结构20不被损坏。

通过从陶瓷层12的多晶组织结构20去除陶瓷材料24，陶瓷层的表面16可以以静电的方式被充电，这对于接下来对层堆叠10的处理步骤来说可能是不利的。因此在步骤S3）中，层堆叠10的表面16被去离子化。

图2和图3为此示意性地示出可能的去离子化方法的瞬时影像。在图2中，例如为了去离子化来以离子化的空气30喷吹层堆叠10的表面16，所述表面通过去除陶瓷材料24来以静电的方式被充电。可替代地或附加地，也可以如图3中所示地，在溶剂浴32中用超声波34来加载层堆叠10。

为了避免在层堆叠10的运行中的电闪络，在对层堆叠10的表面16去离子化之后，层堆叠10的表面16在步骤S4）中被钝化，其方式例如为：将钝化漆料36涂覆在表面16上。这样的利用钝化漆料36所处理的层堆叠10在图4中被示出。

S3）和S4）在所述用于制造压电的层堆叠10的方法中是可选的方法步骤，所述方法步骤根据接下来的对层堆叠10的进一步处理可以被执行或不被执行。

图5示出流程图，所述流程图示意性地示出可以在步骤S2）中为了从多晶组织结构20去除陶瓷材料24所执行的分步骤。

例如，可以通过机械射束来从多晶组织结构20去除松脱的陶瓷材料24。

例如，对此在步骤S2a)中提供气体38，所述气体通过加载压力已经被液化。图6对此示出液化的气体38，所述液化的气体在压力器皿40中被提供。所述压力器皿40以及在其中所布置的液化的气体38具有温度T，所述温度与环境温度T、例如室温相应。然而，在气体38中的压力p比环境压力p₀明显更高。通过以高压力p来进行的所述加载压力，气体38在压力器皿40中作为液体存在。

在步骤S2b）中，然后使气体38膨胀。对此示例性地，如在图7中示意性所示出的那样，所述压力器皿40被打开，使得所述气体38可以被泄漏到压力器皿40的外面的环境中，在那里存在比压力器皿40中明显更低的压力p₀。在使气体38膨胀的情况下，所述气体的体积增大，为此气体38必须完成相对于环境的体积变化功（Volumenarbeit）。对此，能量被从气体自身提取，由此从环境温度T冷却到温度T₁上，所述温度T₁比环境温度T明显更低。在冷却时，气体38通过能量损失凝结成固体42，尤其是以微晶44 的形式的固体。

为了可以将从压力器皿40出来的、扩张的气体38和在此形成的微晶44作为机械粒子来用于处理层堆叠10的表面16，所述膨胀的气体38在步骤S2c）中被对准，例如通过使用对准设备46、例如孔板（Blende）48来对准，使得从形成的微晶44产生定向的流50。在图7中以所述方法的瞬时影像来示意性地示出步骤S2b）和S2c）。

于是，在步骤S2d）中以定向的流50来加载层堆叠10的表面16。这在图8中以示意性的瞬时影像被示出。

在此，定向的流50以固定的方式被保持，也即来源52（在图8中为微晶44从对准设备46的发出点）并不改变在空间中的位置。然而，为了可以以定向的流50来加载层堆叠10的整个表面16，层堆叠10如在图8中通过双箭头所示的那样经定向的流50来移动。这可以例如这样进行，使得层堆叠10的纵轴L以精准地垂直于定向的流50的主流动方向H的方式来布置，然而也可能的是：采用在纵轴L和主流动方向H之间的、在0°至90°之间的倾斜角。

有利地，层堆叠在此连续地围绕其纵轴被旋转。

在定向的流50的来源52和层堆叠10的表面16之间的间隔d有利地处于1cm-10cm之间的范围内。特别有利地，间隔d为3cm至6cm。来源52在此越近于表面16处来布置，越多的微晶44就打击在表面16的所限定的表面区域上，也即每面积的越高的力就在所述表面区域中作用到表面16上。如果所述间隔d被选得过近，这可能导致对多晶组织结构20的损坏。

关于压力p_s应进行相同考虑，利用所述压力使定向的流50击中到层堆叠10的表面16上。如果压力p_s太小，则松脱的陶瓷材料24不被完全地从多晶组织结构20分离。对于压力p_s的理想的压力范围因此处于2 bar和25bar之间，尤其是10bar至16bar之间。

作为优选的发射时间（在所述发射时间中，用定向的流50来加载表面16），2秒和15秒之间的范围已经被确定。所述时间为此足够于，将松脱的陶瓷材料24从层堆叠10的表面16去除。

商业上在压力器皿40中获得的气体（在用于制造压电的层堆叠10的方法中可以使用所述气体）例如是CO₂、N₂和/或惰性气体，诸如氩。所述气体均具有如下好处：所述气体一方面是无毒的并且另一方面在标准条件情况下是气态的，使得所述气体在与层堆叠10的表面16接触之后再次转化到气态的状态并且从层堆叠10的表面16挥发。由此并不通过所使用的固体42产生任何残留物，所述残留物被用于处理层堆叠10的表面16。

图9至图12示出层堆叠10的表面16的影像，所述表面一方面并没有利用所描述的方法所处理（图9和图10），并且另一方面没有利用如所述的方法所处理（图11、图12）。图9和图11在此分别示出层堆叠10的纵截面的显微镜影像，而图10和图12则分别示出根据图9或11的层堆叠10的表面16的REM影像。

在图9中以通过箭头标记的方式识别出：松脱的陶瓷材料24处于多晶组织结构20上。

在图10中通过晶体颗粒54在表面16上的不规律的分布来表示所述松脱的陶瓷材料24 。

在图11中识别出：与图9相比，松脱的陶瓷材料24不再处在多晶组织结构20上。在图12中，因此示出以由晶体颗粒54组成的不规律的结构的形式的、利用所述方法所处理的层堆叠10的表面16。平均粗糙度Ra在利用所述方法所处理的层堆叠10的情况下在此在0.5μm-3μm的范围内变动，这在层堆叠10的表面16之后应利用其他材料、例如利用来钝化漆料36来覆层的情况下是特别有利的。

图13以概括的方式示出层堆叠10的表面16的显微镜影像，所述表面是a）完全未被处理的、b）仅仅利用超声波34在溶剂浴33中已经被处理了的；和c）是利用上面所描述的方法已经被处理了的，也即其中通过以液化的气体38来进行的加载已经去除了松脱的陶瓷材料24。

所述松脱的陶瓷材料在根据a）、b）和c）的影像中以淡色的斑的形式来表示。能识别出，通过在表面16上对层堆叠10的超声波清洁，与未处理的层堆叠10相比不能从陶瓷材料24去除更小的松脱的粒子。然而，在层堆叠10的稍后运行中的问题并不引起更小的、能通过超声波去除的粒子，而是引起更大的颗粒复合物26，所述颗粒复合物如在影像b）中能看出的那样继续留在层堆叠10的表面16上并因此不从多晶组织结构20被去除。相反，在影像c）中识别出：可以将尽可能全部的、构成松脱的陶瓷材料24的粒子去除。因此，层堆叠10的表面16的80%以上没有松脱的陶瓷材料24并且在小于陶瓷层12的表面16的20%处存在仅仅以机械方式附着的压电的陶瓷材料24。

Claims (10)

1.一种用于制造压电的层堆叠（10）的方法，所述方法具有如下步骤:

S1）提供层堆叠（10），所述层堆叠具有多个压电的陶瓷层（12）和多个能导电的内电极（14），其中沿着所述层堆叠（10）的纵轴（L），在两个所述陶瓷层（12）之间分别布置一个内电极（14），并且其中所述压电的陶瓷层（12）在自身的表面（16）上具有：第一区域（18），多晶组织结构（20）在所述第一区域内存在；和第二区域（22），在所述第二区域中存在仅仅以机械的方式附着在所述多晶组织结构（20）上的压电的陶瓷材料（24）；

S2）在不损坏所述多晶组织结构（20）的情况下去除所述仅仅以机械方式附着在所述多晶组织结构（20）上的所述压电的陶瓷材料（24）。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于如下步骤：

S2a) 提供通过加载压力所液化的气体(38)；

S2b）使所述气体（38）膨胀，使得微晶（44）形成；

S2c）将所述微晶（44）对准成定向的流（50）；

S2d）利用所述定向的流（50）来加载所述层堆叠（10）的所述表面（16）。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，作为所述液化的气体（38）使用CO₂和/或N₂和/或惰性气体。

4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述层堆叠（10）的所述表面（16）以与所述流（50）的来源（52）的1cm至10cm、优选2cm至8cm、优选3cm至6cm、尤其是4cm的间隔(d)经所述流（50）来移动。

5.根据权利要求2至4之一所述的方法，其特征在于，所述流（50）具有2bar至25bar、尤其是5bar至20bar、尤其是10bar至16bar、尤其是14bar的压力（p_s）。

6.根据权利要求1至5之一所述的方法，其特征在于，在去除仅仅以机械方式附着在所述多晶组织结构（20）上的所述压电的陶瓷材料（24）之后，所述层堆叠（10）的所述表面（16）在步骤S3）中被去离子化，尤其是通过以离子化的空气（30）喷吹来进行去离子化和/或通过在溶剂浴（32）中用超声波（34）进行的加载来进行去离子化。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述层堆叠（10）的所述表面（16）在去离子化之后在步骤S4)中被钝化，尤其通过涂覆钝化漆料（36）来被钝化。

8.一种压电的层堆叠（10），所述层堆叠尤其是利用根据权利要求1至7之一所述的方法来被制造，所述层堆叠具有多个由压电的陶瓷材料(24）所构成的陶瓷层（12）和多个能导电的内电极（14），其中沿着所述层堆叠（10）的纵轴（L）在两个所述陶瓷层（12）之间分别布置一个内电极（14），其中所述压电的陶瓷层（12）在自身的表面（16）上具有：第一区域（18），多晶组织结构（20）在所述第一区域内存在；和第二区域（22），在所述第二区域中存在仅仅以机械的方式附着在所述多晶组织结构（20）上的压电的陶瓷材料（24），其中在小于所述陶瓷层（12）的所述表面（16）的20%处存在仅仅以机械方式附着的所述压电的陶瓷材料（24）。

9.根据权利要求8所述的压电的层堆叠（10），其特征在于，所述压电的陶瓷层（12）具有0.5μm至3μm、尤其是1μm至2μm的平均粗糙度（Ra）。

10.根据权利要求8或9其中之一所述的压电的层堆叠（10），其特征在于，在所述陶瓷层（12）的所述表面（16）上布置钝化层、尤其是钝化漆料（36）。